JP2014239424A - Semiconductor device - Google Patents
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- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
【課題】パワーデバイスの誤動作を防ぐこと。又は、製造コストの増加を抑制すること。【解決手段】電力供給用のパワーデバイスを駆動するための半導体装置において、バッファ回路及びレベルシフト回路を同じ極性のトランジスタで構成する。更にレベルシフト回路内に容量素子を設け、昇圧するための信号を該容量素子に与え、該容量素子における容量結合を用いた信号の昇圧を行う構成とする。そのため半導体装置を構成するトランジスタを、単極性のトランジスタで構成することができる。更に、レベルシフト回路でパワートランジスタの駆動するための信号を昇圧するための電位を与える配線と低電源電位を与える配線との間に容量素子を設け、信号の昇圧を行う構成とすることができる。【選択図】図1To prevent a malfunction of a power device. Or suppress the increase in manufacturing cost. In a semiconductor device for driving a power device for power supply, a buffer circuit and a level shift circuit are configured by transistors having the same polarity. Further, a capacitive element is provided in the level shift circuit, and a signal for boosting is supplied to the capacitive element, and a signal is boosted using capacitive coupling in the capacitive element. Therefore, a transistor included in the semiconductor device can be formed using a unipolar transistor. Further, a capacitor can be provided between a wiring for supplying a potential for boosting a signal for driving the power transistor by the level shift circuit and a wiring for supplying a low power supply potential, thereby boosting the signal. . [Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、電力供給用のパワーデバイスを駆動するための駆動回路として機能する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device that functions as a drive circuit for driving a power device for supplying power.
パワーデバイスは、モーター等の負荷を駆動するのに用いられる素子である。パワーデバイスは、スイッチング動作によって、負荷への大電流の供給を間欠的に行うよう制御することができる。 A power device is an element used to drive a load such as a motor. The power device can be controlled to intermittently supply a large current to the load by a switching operation.
パワーデバイスの一例としては、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワートランジスタを挙げることができる。パワートランジスタは、他のトランジスタと比べて、ゲート容量が大きい。 An example of a power device is a power transistor such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The power transistor has a larger gate capacitance than other transistors.
パワートランジスタの駆動は、PWM(Pulse Width Modulation)制御で行われる。PWM制御は、マイコン等から出力されるPWM信号によって行われる。PWM信号は、ゲート容量が大きいパワートランジスタを直接駆動するには、電圧が小さい。そのためPWM信号は、高電圧の信号に変換してパワートランジスタに与える必要がある。 The power transistor is driven by PWM (Pulse Width Modulation) control. The PWM control is performed by a PWM signal output from a microcomputer or the like. The PWM signal has a small voltage for directly driving a power transistor having a large gate capacity. Therefore, the PWM signal needs to be converted into a high voltage signal and given to the power transistor.
PWM信号を高電圧の信号に変換するための駆動回路は、シリコンを用いたトランジスタで構成される。例えば、特許文献1では、シリコン基板上にnチャネル型のトランジスタ及びpチャネル型のトランジスタを設け、IGBTのオン又はオフを制御する半導体装置の構成について開示している。 A drive circuit for converting a PWM signal into a high voltage signal is composed of a transistor using silicon. For example, Patent Document 1 discloses a configuration of a semiconductor device in which an n-channel transistor and a p-channel transistor are provided over a silicon substrate to control on / off of the IGBT.
上述したように特許文献1に記載の半導体装置は、PWM信号を高電圧の信号に変換するための駆動回路として、シリコンを用いたトランジスタで形成された、nチャネル型のトランジスタ及びpチャネル型のトランジスタを用いる構成である。 As described above, the semiconductor device described in Patent Document 1 includes an n-channel transistor and a p-channel transistor that are formed using silicon transistors as a drive circuit for converting a PWM signal into a high-voltage signal. In this configuration, a transistor is used.
相補型のトランジスタで駆動回路を構成する場合、nチャネル型のトランジスタ及びpチャネル型のトランジスタの作り分けを行うためのフォトマスク数が増加する。そのため、製造コストが増加してしまう。この製造コストの増加を抑制するために、駆動回路を構成する相補型のトランジスタを、単極性のトランジスタで構成する構成がありえる。 In the case where a driver circuit is formed using complementary transistors, the number of photomasks for separately forming n-channel transistors and p-channel transistors increases. Therefore, the manufacturing cost increases. In order to suppress the increase in the manufacturing cost, there can be a configuration in which the complementary transistors constituting the drive circuit are configured with unipolar transistors.
単極性のトランジスタでPWM信号を高電圧の信号に変換する駆動回路を構成する場合、信号の変換に高電圧を用いるため、トランジスタの絶縁破壊が生じるおそれがある。トランジスタが破壊されると、このトランジスタを有する駆動回路が誤動作してしまう。 When a driving circuit that converts a PWM signal into a high voltage signal with a unipolar transistor is used, a high voltage is used for signal conversion, which may cause dielectric breakdown of the transistor. When the transistor is destroyed, a driving circuit including the transistor malfunctions.
そこで本発明の一態様は、パワーデバイスの誤動作を防ぐことを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、製造コストの増加を抑制することを課題の一とする。 Thus, an object of one embodiment of the present invention is to prevent a malfunction of a power device. Another object of one embodiment of the present invention is to suppress an increase in manufacturing cost.
なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書、図面、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発明の一形態の課題となり得る。 Note that the description of a plurality of tasks does not disturb each other's existence. One embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Problems other than those listed will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, and the like, and these problems may be a problem of one embodiment of the present invention.
本発明の一態様は、電力供給用のパワーデバイスを駆動するための駆動回路である半導体装置において、バッファ回路及びレベルシフト回路を同じ極性のトランジスタで構成する。更に本発明の一態様はレベルシフト回路内に容量素子を設け、昇圧するための信号を該容量素子に与え、該容量素子における容量結合を用いた信号の昇圧を行う構成とする。 According to one embodiment of the present invention, in a semiconductor device which is a driver circuit for driving a power device for supplying power, the buffer circuit and the level shift circuit are formed using transistors having the same polarity. Further, according to one embodiment of the present invention, a capacitor is provided in the level shift circuit, a signal for boosting is supplied to the capacitor, and a signal is boosted using capacitive coupling in the capacitor.
本発明の一態様による構成では、電力供給用のパワーデバイスを駆動するための駆動回路内に設けるトランジスタを、単極性のトランジスタで構成することができる。更に本発明の一態様による構成では、レベルシフト回路でパワートランジスタの駆動するための信号を昇圧するための電位を与える配線と低電源電位を与える配線との間に容量素子を設け、信号の昇圧を行う構成とすることができる。 In the structure according to one embodiment of the present invention, the transistor provided in the driver circuit for driving the power device for supplying power can be a unipolar transistor. Further, according to the structure of one embodiment of the present invention, a capacitor is provided between a wiring for applying a potential for boosting a signal for driving a power transistor by a level shift circuit and a wiring for supplying a low power supply potential, thereby boosting the signal. It can be set as the structure which performs.
本発明の一態様は、第1の信号を第2の信号に変換する第1のバッファ回路と、第2の信号を第3の信号に変換するレベルシフト回路と、第3の信号を第4の信号に変換する第2のバッファ回路と、第4の信号に従って、第1の電位又は第2の電位を出力する第3のバッファ回路と、を有し、レベルシフト回路、及び第1のバッファ回路乃至第3のバッファ回路が有するトランジスタは、同じ極性のトランジスタであり、第2の信号は、レベルシフト回路が有する容量素子に与えられ、容量結合を用いて第3の信号に変換される、半導体装置である。 According to one embodiment of the present invention, a first buffer circuit that converts a first signal into a second signal, a level shift circuit that converts a second signal into a third signal, and a third signal as a fourth signal A level shift circuit, and a first buffer, and a second buffer circuit that converts the first potential to the first signal and a third buffer circuit that outputs the first potential or the second potential according to the fourth signal. The transistors included in the circuit to the third buffer circuit are transistors having the same polarity, and the second signal is supplied to the capacitor included in the level shift circuit and converted into a third signal using capacitive coupling. It is a semiconductor device.
本発明の一態様において、第1のバッファ回路は、第1の信号を、第1の信号が有する電位よりも高い電位を有する第2の信号に変換し、第2のバッファ回路は、第3の信号を、第3の信号が有する電位よりも高い電位を有する第4の信号に変換する半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the first buffer circuit converts the first signal into a second signal having a higher potential than the potential of the first signal. A semiconductor device that converts the above signal into a fourth signal having a higher potential than the potential of the third signal is preferable.
本発明の一態様において、レベルシフト回路は、第2の信号を、第2の信号が有する電位よりも高い電位を有する第3の信号に変換する半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the level shift circuit is preferably a semiconductor device that converts a second signal into a third signal having a higher potential than the potential of the second signal.
本発明の一態様において、トランジスタが有する半導体層は、酸化物半導体を有する半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the semiconductor layer included in the transistor is preferably a semiconductor device including an oxide semiconductor.
本発明の一態様において、第1のバッファ回路に低電源電位を与える配線は、第2のバッファ回路及び第3のバッファ回路に低電源電位を与える配線とは、異なる配線である半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, a semiconductor device in which the wiring that supplies a low power supply potential to the first buffer circuit is different from the wiring that supplies the low power supply potential to the second buffer circuit and the third buffer circuit is preferable. .
本発明の一態様において、レベルシフト回路は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子を有し、第1のトランジスタの第1端子及び第2のトランジスタの第1端子が、第2の電位を与える配線に電気的に接続され、第1の容量素子の一方の電極が、第1のトランジスタの第2端子、第2のトランジスタのゲート及び第2のバッファ回路に電気的に接続され、第2の容量素子の一方の電極が、第2のトランジスタの第2端子、第1のトランジスタのゲート及び第2のバッファ回路に電気的に接続され、第1の容量素子の他方の電極に第2の信号が与えられ、第2の容量素子の他方の電極に第2の信号を反転した信号が与えられる半導体装置が好ましい。 In one embodiment of the present invention, the level shift circuit includes a first transistor, a second transistor, a first capacitor, and a second capacitor, and the first terminal of the first transistor and the first transistor A first terminal of the second transistor is electrically connected to a wiring for applying a second potential, and one electrode of the first capacitor is connected to the second terminal of the first transistor, the gate of the second transistor, and The second buffer circuit is electrically connected, and one electrode of the second capacitor is electrically connected to the second terminal of the second transistor, the gate of the first transistor, and the second buffer circuit. A semiconductor device in which the second signal is supplied to the other electrode of the first capacitor and the inverted signal of the second signal is supplied to the other electrode of the second capacitor is preferable.
本発明の一態様は、レベルシフト回路内の容量素子に対して容量結合を用いて信号を与える構成を有する。該構成により、レベルシフト回路内のトランジスタにおけるソース、ドレイン間に直接、高電圧が印加されることがなくなり、トランジスタの絶縁破壊をなくすことができる。そのため、パワーデバイスを駆動するための駆動回路を正常な状態で動作させることができ、誤動作を防ぐことができる。また、レベルシフト回路内を流れる貫通電流をなくすことができ、低消費電力化を図ることができる。 One embodiment of the present invention has a structure in which a signal is supplied to a capacitor in a level shift circuit using capacitive coupling. With this configuration, a high voltage is not directly applied between the source and drain of the transistor in the level shift circuit, and the dielectric breakdown of the transistor can be eliminated. Therefore, the drive circuit for driving the power device can be operated in a normal state, and malfunction can be prevented. Further, the through current flowing in the level shift circuit can be eliminated, and the power consumption can be reduced.
更に本発明の一態様により、バッファ回路及びレベルシフト回路が有するトランジスタを、単極性のトランジスタとする構成を有する。該構成により、酸化物半導体といった、高温での電気的特性の安定性に優れた半導体材料で、電力供給用のパワーデバイスを駆動するための駆動回路内に設けるトランジスタを構成することができる。そのため、パワーデバイスの誤動作を防ぐことができる。また、製造コストの増加を抑制することができる。 Further, according to one embodiment of the present invention, the transistor included in the buffer circuit and the level shift circuit is configured as a unipolar transistor. With this structure, a transistor provided in a driver circuit for driving a power device for power supply can be formed using a semiconductor material such as an oxide semiconductor that has excellent electrical characteristics at high temperatures. Therefore, malfunction of the power device can be prevented. Moreover, the increase in manufacturing cost can be suppressed.
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments. Note that in the structures of the invention described below, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings.
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 In the drawings, the size, the thickness of layers, or regions are exaggerated for clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, variation in signal, voltage, or current due to noise, variation in signal, voltage, or current due to timing shift can be included.
また本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done.
ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造または動作条件等によって変わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースとして機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソースまたはドレインと呼ばず、ソースとドレインとの一方を第1電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第2電極と表記する場合がある。 Here, since the source and the drain vary depending on the structure or operating conditions of the transistor, it is difficult to limit which is the source or the drain. Therefore, a portion functioning as a source and a portion functioning as a drain are not referred to as a source or a drain, one of the source and the drain is referred to as a first electrode, and the other of the source and the drain is referred to as a second electrode. There is a case.
なお本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 Note that the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” used in this specification are added to avoid confusion between components, and are not limited in number. To do.
なお本明細書において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。 Note that in this specification, A and B are connected to each other, including A and B being directly connected, as well as those being electrically connected. Here, A and B are electrically connected. When there is an object having some electrical action between A and B, it is possible to send and receive electrical signals between A and B. It says that.
なお本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Note that in this specification, terms such as “above” and “below” are used for convenience in describing the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.
なお図面における各回路ブロックの配置は、説明のため位置関係を特定するものであり、異なる回路ブロックで別々の機能を実現するよう図面で示していても、実際の回路や領域では、同じ回路や同じ領域内で別々の機能を実現しうるように設けられている場合もある。また図面における各回路ブロックの機能は、説明のため機能を特定するものであり、一つの回路ブロックとして示していても、実際の回路や領域では、一つの回路ブロックで行う処理を複数の回路ブロックで行うよう設けられている場合もある。 Note that the layout of each circuit block in the drawing specifies the positional relationship for the sake of explanation. Even if the drawing shows that different functions are realized in different circuit blocks, the same circuit or region is not used in an actual circuit or region. In some cases, different functions are provided in the same area. In addition, the function of each circuit block in the drawing is to specify the function for explanation. Even if the function is shown as one circuit block, in an actual circuit or region, processing performed by one circuit block is performed by a plurality of circuit blocks. In some cases, it is provided.
なお、本明細書において、電圧とは、ある電位と、基準電位(例えばグラウンド電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧、電位、電位差を、各々、電位、電圧、電圧差と言い換えることが可能である。なお電圧とは2点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。 Note that in this specification, the voltage often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (eg, a ground potential). Thus, voltage, potential, and potential difference can be referred to as potential, voltage, and voltage difference, respectively. The voltage refers to a potential difference between two points, and the potential refers to electrostatic energy (electric potential energy) possessed by a unit charge in an electrostatic field at a certain point.
なお本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 In this specification, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.
また本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.
(実施の形態1)
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の回路構成及びその動作について、図1を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a circuit configuration and operation of a semiconductor device according to one embodiment of the disclosed invention will be described with reference to FIGS.
なお、半導体装置とは半導体素子(トランジスタ、ダイオード等)を含む回路、及び同回路を有する装置をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップ、表示装置、発光装置、照明装置及び電子機器等は全て半導体装置である。 Note that a semiconductor device refers to a circuit including a semiconductor element (a transistor, a diode, or the like) and a device including the circuit. In addition, it refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an integrated circuit, a chip including the integrated circuit, a display device, a light-emitting device, a lighting device, an electronic device, and the like are all semiconductor devices.
図1は、半導体装置のブロック図である。図1に示す半導体装置100は、バッファ回路101(第1のバッファ回路ともいう。図中、1st Bufferと表記)、レベルシフト回路102(図中、HV Level Shiftと表記)、バッファ回路103(第2のバッファ回路ともいう。図中、2nd Bufferと表記)、及びバッファ回路104(第3のバッファ回路ともいう。図中、3rd Bufferと表記)を有する。
FIG. 1 is a block diagram of a semiconductor device. A
本実施の形態で説明する半導体装置100は、バッファ回路101、バッファ回路103、バッファ回路104及びレベルシフト回路102を同じ極性のトランジスタで構成する。そのため半導体装置100は、半導体装置100内に設けるトランジスタを、単極性のトランジスタで構成することができる。
In the
更に半導体装置100では、レベルシフト回路102内に容量素子を設け、昇圧するための信号を該容量素子に与え、該容量素子における容量結合を用いた信号の昇圧を行う構成とする。該構成では、レベルシフト回路102内のトランジスタのソース、ドレイン間に印加される電圧を、レベルシフト回路102内の容量素子に印加される電圧よりも小さくでき、トランジスタの絶縁破壊を抑制できる。
Further, the
次いで、半導体装置100が有する各回路について説明する。
Next, each circuit included in the
バッファ回路101は、マイコン等から出力されるPWM信号を、レベルシフト回路102を動作可能な信号に昇圧及び/又は電荷供給能力を高めた信号に変換して出力する機能を有する回路である。バッファ回路101に入力される信号は、端子IN_H及び端子IN_Lを介して、マイコン等から出力されるPWM信号である。またバッファ回路101から出力される信号は、レベルシフト回路102に入力される信号である。
The
図1では、マイコン等から出力されるPWM信号を、第1の信号(図中、1st Signalと表記)としている。また、図1では、バッファ回路101から出力され、レベルシフト回路102に入力される信号を、第2の信号(図中、2nd Signalと表記)としている。なおPWM信号は、バッファ回路101、レベルシフト回路102、及びバッファ回路103で昇圧され、バッファ回路104が有するトランジスタ121及びトランジスタ122を交互に導通状態とするための信号である。
In FIG. 1, a PWM signal output from a microcomputer or the like is a first signal (denoted as 1st Signal in the figure). In FIG. 1, a signal output from the
なお図1では、PWM信号の一例として、端子IN_H及び端子IN_Lから入力される2つの信号を示したが、これに限定されない。例えば、3つ以上のPWM信号をバッファ回路101に入力する構成としてもよい。なお端子IN_H及び端子IN_Lから入力される2つの信号は、互いに反転した信号であることが好適である。
In FIG. 1, two signals input from the terminal IN_H and the terminal IN_L are shown as an example of the PWM signal, but the present invention is not limited to this. For example, three or more PWM signals may be input to the
レベルシフト回路102は、トランジスタ111、トランジスタ112、容量素子113及び容量素子114を有する。また、トランジスタ111及びトランジスタ112には、パワートランジスタを駆動するための電圧V2が与えられた配線に接続されている。
The
レベルシフト回路102は、バッファ回路101から出力された第2の信号をもとに、マイコン等から出力されるPWM信号の電圧を、パワートランジスタを駆動するための電圧に昇圧した信号として出力する機能を有する回路である。レベルシフト回路102に入力される信号は、容量素子113及び容量素子114に与えられる、バッファ回路101から出力される信号である。またバッファ回路101から出力される信号は、レベルシフト回路102に入力される信号である。
The
第2の信号は、容量素子113及び容量素子114における容量結合により、レベルシフト回路102に与えられる。容量結合によりレベルシフト回路102に与えられた第2の信号は、パワートランジスタを駆動するための電圧V2によって更に昇圧され、バッファ回路103に出力される。図1では、レベルシフト回路102から出力されバッファ回路103に入力される信号を、第3の信号(図中、3rd Signalと表記)としている。なお第2の信号及び第3の信号は、元は、端子IN_H及び端子IN_Lに与えられた信号であり、図1では2つの配線にそれぞれ2つの信号が与えられる。
The second signal is supplied to the
トランジスタ111及びトランジスタ112は、スイッチとして機能するトランジスタである。さらにトランジスタ111及びトランジスタ112は、同じ極性を有するトランジスタである。一例として図1では、トランジスタ111及びトランジスタ112をnチャネル型のトランジスタとして図示している。
The
トランジスタ111及びトランジスタ112の動作としては、容量素子113及び容量素子114に入力される第2の信号の一方がHレベルとなるタイミングで、Hレベルとした容量素子にゲートが接続されたトランジスタを導通状態とする。逆に、容量素子113及び容量素子114に入力される第2の信号の他方がLレベルとなるタイミングで、Lレベルとした容量素子にゲートが接続されたトランジスタを非導通状態とする。例えば、容量素子113に入力される第2の信号をHレベルとするとトランジスタ112が導通状態となり、容量素子114に入力される第2の信号をLレベルとするとトランジスタ111が非導通状態となる。また容量素子113に入力される第2の信号をLレベルとするとトランジスタ112が非導通状態となり、容量素子114に入力される第2の信号をHレベルとするとトランジスタ111が導通状態となる。
The
トランジスタ111が導通状態となる期間では、トランジスタ111のソース及びドレインの一方に接続される容量素子113、並びに非導通状態となるトランジスタ112のゲート、が互いに接続されるノードに対し、電圧V2が与えられた配線から電流が流れ、該ノードが充電される(第1の動作)。
In the period in which the
一方トランジスタ112は、トランジスタ111と逆の動作をする。すなわち、トランジスタ112が導通状態となる期間では、トランジスタ112のソース及びドレインの一方に接続される容量素子114、並びに非導通状態となるトランジスタ111のゲート、が互いに接続されるノードに対し、電圧V2が与えられた配線から電流が流れ、該ノードが充電される(第1の動作)。
On the other hand, the
次いでトランジスタ111が非導通状態となる期間では、トランジスタ111のソース及びドレインの一方に接続される容量素子113、並びにトランジスタ112のゲート、が互いに接続されるノードが電気的に浮遊状態(フローティング)となる。このとき容量素子113に対してHレベルを与える。すると、電気的に浮遊状態としたノードの電位が容量結合によって更に上昇する。この容量結合によって昇圧された信号が、第3の信号として、バッファ回路103に出力される(第2の動作)。
Next, in a period in which the
一方トランジスタ112が非導通状態となる期間では、トランジスタ112のソース及びドレインの一方に接続される容量素子114、並びにトランジスタ111のゲート、が互いに接続されるノードが電気的に浮遊状態(フローティング)となる。このとき容量素子114に対してHレベルを与える。すると、電気的に浮遊状態としたノードの電位が容量結合によって更に上昇する。この容量結合によって昇圧された信号が、第3の信号として、バッファ回路103に出力される(第2の動作)。
On the other hand, in a period in which the
以上説明した第1の動作と第2の動作を繰り返すことで、レベルシフト回路102は、第2の信号を昇圧した第3の信号を出力することができる。
By repeating the first operation and the second operation described above, the
なお、容量素子113及び容量素子114は、高電圧によって絶縁破壊しない素子であることが望ましい。容量素子113及び容量素子114の静電容量は、バッファ回路103のゲート容量の10倍以上の大きさとすることが好ましい。なお、容量素子113及び容量素子114の静電容量を大きくする場合、第2の信号は、バッファ回路101によって、電荷供給能力が高められた信号としておくことが好ましい。
Note that the
なお、容量素子113及び容量素子114は、静電容量を大きくするため、半導体装置が有するトランジスタが形成された基板とは別の基板に設ける構成としてもよい。
Note that the
容量素子113及び容量素子114の静電容量は、同じ大きさでもよいし、異ならせてもよい。
The capacitances of the
図1に示すレベルシフト回路102の構成では、容量素子113及び容量素子114に対して容量結合を用いて第2の信号を与える構成を有する。該構成により、トランジスタ111及びトランジスタ112におけるソース、ドレイン間に直接、高電圧が印加されることがなくなり、トランジスタの絶縁破壊をなくすことができる。そのため、パワートランジスタを駆動するための駆動回路を正常な状態で動作させることができ、誤動作を防ぐことができる。また、レベルシフト回路102内を流れる貫通電流をなくすことができ、低消費電力化を図ることができる。
The structure of the
バッファ回路103は、レベルシフト回路102から出力される第3の信号を、第4のバッファ回路104を動作可能な信号に昇圧及び/又は電荷供給能力を高めた信号に変換して出力する機能を有する回路である。バッファ回路103に入力される信号は、バッファ回路103が有するトランジスタのゲートに与えられる信号である。またバッファ回路103から出力される信号は、バッファ回路104に入力される信号である。
The
図1では、バッファ回路103が有するトランジスタのゲートに与えられる信号を、第3の信号としている。また、図1では、バッファ回路103から出力され、バッファ回路104に入力される信号を、第4の信号(図中、4th Signalと表記)としている。なお第4の信号は、元は、端子IN_H及び端子IN_Lに与えられた信号であり、図1では2つの配線にそれぞれ2つの信号が与えられる。
In FIG. 1, the signal given to the gate of the transistor included in the
なお図1では、レベルシフト回路102とバッファ回路104との間にバッファ回路103を設ける構成としてが、更にバッファ回路を追加する構成としてもよい。あるいは、フリップフロップ等の遅延回路を追加する構成としてもよい。
In FIG. 1, the
バッファ回路104は、トランジスタ121及びトランジスタ122を有する。また、トランジスタ121は、パワートランジスタを駆動するための電圧V1が与えられた配線に接続されている。また、トランジスタ122は、パワートランジスタを駆動するための電圧V2が与えられた配線に接続されている。バッファ回路104が出力する信号は、端子OUTを介して、外部に設けられるパワートランジスタ(図示せず)に与えられる。
The
なお電圧V1は、端子OUTに接続されるパワートランジスタを導通状態に切り換えるための電圧である。また電圧V2は、端子OUTに接続されるパワートランジスタを非導通状態に切り換えるための電圧である。バッファ回路104は、端子OUTに接続されるパワートランジスタのスイッチングを制御するために端子OUTから出力される電圧を電圧V1又は電圧V2に切り換えて出力する。なお、電圧V1は、第1の電圧ということもある。また、電圧V2は、第2の電圧ということもある。なお電圧V1及び電圧V2は、高電源電位VDDをもとに、ブートストラップ回路を用いて昇圧して生成される電圧であることが好ましい。また、電圧V1及び電圧V2は、高電源電位VDDがより高い電圧である場合、高電源電位VDDを降圧して生成される電圧であってもよい。なお電圧V1及び電圧V2は、外部から直接与えられる電圧であってもよい。なお電圧V1は、電圧V2より大きい電圧である。
The voltage V1 is a voltage for switching the power transistor connected to the terminal OUT to a conductive state. The voltage V2 is a voltage for switching the power transistor connected to the terminal OUT to a non-conductive state. The
バッファ回路104は、バッファ回路103から出力される第4の信号を元に、パワートランジスタを駆動するための電圧V1又は電圧V2の電圧を出力する機能を有する回路である。バッファ回路104に入力される信号は、バッファ回路104が有するトランジスタ121又はトランジスタ122のゲートに与えられる信号である。またバッファ回路104から出力される信号は、端子OUTを介して出力される、外部に設けられるパワートランジスタを駆動する信号である。なおトランジスタ121及びトランジスタ122のゲートに与えられる第4の信号は、上述したように、元は、端子IN_H及び端子IN_Lに与えられた信号である。第4の信号は、トランジスタ121及びトランジスタ122を交互に導通状態とする。そのため、端子OUTより出力される信号は、電圧V1と電圧V2とが切り替わって出力される信号となる。
The
以上説明した半導体装置100では、レベルシフト回路102内の容量素子113及び容量素子114に対して容量結合を用いて信号を与える構成を有する。該構成により、トランジスタ111及びトランジスタ112におけるソース、ドレイン間に直接、高電圧が印加されることがなくなり、トランジスタの絶縁破壊をなくすことができる。そのため、パワーデバイスを駆動するための駆動回路を正常な状態で動作させることができ、誤動作を防ぐことができる。また、レベルシフト回路102内を流れる貫通電流をなくすことができ、低消費電力化を図ることができる。
The
次いで、図1に示す半導体装置100の具体的な回路構成、及び動作について図2乃至図6を用いて説明する。
Next, a specific circuit configuration and operation of the
図2は、図1で示した半導体装置のブロック図について、回路構成の具体的な一例を示した図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a specific example of a circuit configuration of the block diagram of the semiconductor device illustrated in FIG.
図2に示すバッファ回路101は、端子IN_H及び端子IN_Lに与えられるPWM信号のバッファとなるインバータ回路131及びインバータ回路132を有する。インバータ回路131及びインバータ回路132は、電圧V3が与えられた配線と接地電位GNDが与えられた配線によって、電源電圧が与えられる。また、インバータ回路131及びインバータ回路132は、レベルシフト回路102が有するトランジスタ111、トランジスタ112と同じ極性のトランジスタを有する。
The
ここで図3(A)に、同じ極性のトランジスタとしてnチャネル型のトランジスタを有するインバータ回路131及びインバータ回路132の回路構成の一例を示す。
Here, FIG. 3A illustrates an example of a circuit configuration of the
図3(A)に示すインバータ回路131(又はインバータ回路132)は、トランジスタ151、トランジスタ152、トランジスタ153、トランジスタ154、及び容量素子155を有する。トランジスタ151、トランジスタ152、トランジスタ153及びトランジスタ154は、図1及び図2のトランジスタ111及びトランジスタ112と同様に、nチャネル型のトランジスタとして図示している。
The inverter circuit 131 (or the inverter circuit 132) illustrated in FIG. 3A includes a
なお電圧V3は、容量素子113及び容量素子114での電荷の充放電により、レベルシフト回路102の昇圧を行うための電圧である。なお電圧V3を与える配線は、容量素子113及び容量素子114での電荷の充放電を高速に行えるよう、電荷供給能力が高いことが好ましい。なお、電圧V3は、第3の電圧ということもある。なお電圧V3は、高電源電位VDDをもとに、ブートストラップ回路を用いて昇圧して生成される電圧であることが好ましい。また、電圧V3は、高電源電位VDDがより高い電圧である場合、高電源電位VDDを降圧して生成される電圧であってもよい。なお電圧V3は、外部から直接与えられる電圧であってもよい。なお電圧V3は、電圧V1及び電圧V2より小さい電圧である。
Note that the voltage V3 is a voltage for boosting the
トランジスタ151及びトランジスタ152は、ソース及びドレインの一方の端子が、電圧V3が与えられた配線に接続される。またトランジスタ153及びトランジスタ154は、ソース及びドレインの一方の端子が、接地電位GNDが与えられた配線に接続される。容量素子155は、トランジスタ152のゲートとソース及びドレインの他方の端子の間に設けられる。図3(A)に示すインバータ回路131(又はインバータ回路132)は、第1の信号の論理を反転した信号を第2の信号として出力できる回路である。
In the
なお、図3(A)に示すインバータ回路131(又はインバータ回路132)は、図3(B)に示すように電気的に直列に配置し、第1の信号の論理を元の論理に再度反転させた第2の信号を出力できる回路であってもよい。 Note that the inverter circuit 131 (or the inverter circuit 132) illustrated in FIG. 3A is electrically arranged in series as illustrated in FIG. 3B, and the logic of the first signal is inverted again to the original logic. It may be a circuit that can output the second signal.
また、図2に示すレベルシフト回路102は、図1で説明したレベルシフト回路102と同様の構成である。図2では、図1と同様に、レベルシフト回路102が有するトランジスタ111及びトランジスタ112をnチャネル型のトランジスタとして図示している。
Further, the
また図2に示すバッファ回路103は、トランジスタ141、トランジスタ142、トランジスタ143及びトランジスタ144を有する。バッファ回路103は、電圧V4が与えられた配線と電圧V2が与えられた配線に接続される。バッファ回路103は、バッファ回路104のトランジスタ121及びトランジスタ122のゲートに印加する信号を、第3の信号をもとにして電圧V4と電圧V2とで切り換えた第4の信号として出力する。なおトランジスタ141、トランジスタ142、トランジスタ143及びトランジスタ144は、図1及び図2のトランジスタ111及びトランジスタ112と同様に、nチャネル型のトランジスタとして図示している。
In addition, the
なお電圧V4は、トランジスタ121及びトランジスタ122のオンを確実に行うために、第3の信号を更に昇圧を行うための電圧である。この昇圧は、例えばトランジスタ111及びトランジスタ112を介して出力される第3の信号がトランジスタの閾値電圧分だけ低下した電圧の信号となる場合、トランジスタ121及びトランジスタ122のオンが確実に行えないことを防ぐためのものである。なお、電圧V4は、第4の電圧ということもある。なお電圧V4は、高電源電位VDDをもとに、ブートストラップ回路を用いて昇圧して生成される電圧であることが好ましい。また、電圧V4は、高電源電位VDDがより高い電圧である場合、高電源電位VDDを降圧して生成される電圧であってもよい。なお電圧V4は、外部から直接与えられる電圧であってもよい。なお電圧V4は、電圧V1と同じ、または、電圧V1より大きい電圧である。
Note that the voltage V4 is a voltage for further boosting the third signal in order to surely turn on the
図2に示す、端子IN_Hに与えられるPWM信号をPWM信号S_H、端子IN_Lに与えられるPWM信号をPWM信号S_Lとすると、端子OUTに与えられる出力信号を出力信号S_OUTとする。PWM信号S_H、PWM信号S_L及び出力信号S_OUTは、図4に示すタイミングチャート図にように表すことができる。なおPWM信号S_H、PWM信号S_L及び出力信号S_OUTは、同じ振幅電圧を示しているが、実際には出力信号S_OUTの振幅電圧がPWM信号S_H及びPWM信号S_Lの振幅電圧よりも小さい。なおPWM信号S_H及びPWM信号S_Lが振幅する電位は、上述したバッファ回路101、レベルシフト回路102、バッファ回路103で昇圧され、バッファ回路104が有するトランジスタ121及びトランジスタ122の導通状態又は非導通状態を制御する電圧となる。そして半導体装置100では、昇圧されたPWM信号S_H及びPWM信号S_Lに従って、電圧V1又は電圧V2のいずれかの電圧を出力する出力信号S_OUTを出力することができる。
Assuming that the PWM signal applied to the terminal IN_H shown in FIG. 2 is the PWM signal S_H and the PWM signal applied to the terminal IN_L is the PWM signal S_L, the output signal applied to the terminal OUT is the output signal S_OUT. The PWM signal S_H, the PWM signal S_L, and the output signal S_OUT can be expressed as shown in the timing chart of FIG. Note that the PWM signal S_H, the PWM signal S_L, and the output signal S_OUT show the same amplitude voltage, but the amplitude voltage of the output signal S_OUT is actually smaller than the amplitude voltage of the PWM signal S_H and the PWM signal S_L. Note that the potential at which the PWM signal S_H and the PWM signal S_L are amplified is boosted by the
また、図2に示す半導体装置100の構成では、バッファ回路101の低電源電位を与える配線の電圧と、バッファ回路103及びバッファ回路104の低電源電位を与える配線の電圧と、を別の電圧とすることができる。具体的には、バッファ回路101の低電源電位を与える配線の電圧を接地電位GNDとし、バッファ回路103及びバッファ回路104の低電源電位を与える配線の電圧を電圧V2とすることができる。そのため、配線に蓄積されるリアクタンス成分による電流が半導体装置100内を流れた際、PWM信号を与える端子IN_H及び端子IN_Lに流れることで起きる誤動作を低減することができる。
In the structure of the
図2、図3で説明した、トランジスタ111及びトランジスタ112、トランジスタ121及びトランジスタ122、トランジスタ141乃至トランジスタ144、並びにトランジスタ151乃至トランジスタ154は、いずれもnチャネル型のトランジスタである。すなわち、半導体装置が有するバッファ回路101、バッファ回路103、バッファ回路104及びレベルシフト回路102を単極性のトランジスタで構成することができる。
The
単極性のトランジスタで半導体装置を構成することで、相補型のトランジスタで駆動回路を構成する場合に比べ、nチャネル型のトランジスタ及びpチャネル型のトランジスタの作り分けを行うためのフォトマスク数を削減することができる。そのため本発明の構成とすることで、製造コストを削減することができる。 By configuring a semiconductor device with unipolar transistors, the number of photomasks for separately creating n-channel transistors and p-channel transistors is reduced compared to the case where a driver circuit is configured with complementary transistors. can do. Therefore, the manufacturing cost can be reduced by adopting the configuration of the present invention.
半導体装置を構成するトランジスタを、単極性のトランジスタに単純に置き換えただけでは、PWM信号を高電圧の信号に変換する駆動回路を構成する場合、信号の変換に高電圧を用いるため、トランジスタの絶縁破壊が生じるおそれがある。一方で本実施の形態の構成の半導体装置では、レベルシフト回路102内の容量素子113及び容量素子114に対して容量結合を用いて信号を与える構成を有する。該構成により、トランジスタ111及びトランジスタ112におけるソース、ドレイン間に直接、高電圧が印加されることがなくなり、トランジスタの絶縁破壊をなくすことができる。そのため、パワーデバイスを駆動するための駆動回路を正常な状態で動作させることができ、誤動作を防ぐことができる。
By simply replacing a transistor constituting a semiconductor device with a unipolar transistor, when a drive circuit for converting a PWM signal into a high voltage signal is used, a high voltage is used for signal conversion. There is a risk of destruction. On the other hand, the semiconductor device having the structure of this embodiment has a structure in which a signal is supplied to the
更に本実施の形態の構成の半導体装置では、単極性のトランジスタで半導体装置を構成することで、シリコン以外の半導体材料を半導体層に用いてトランジスタを構成することができる。一例としては、酸化物半導体を半導体層に用いてトランジスタを構成することができる。 Further, in the semiconductor device having the structure of this embodiment, a semiconductor device can be formed using a semiconductor material other than silicon for the semiconductor layer by forming the semiconductor device using a unipolar transistor. As an example, a transistor can be formed using an oxide semiconductor for a semiconductor layer.
酸化物半導体は、エネルギーギャップが3.0eV以上3.5eV以下である。このエネルギーギャップはシリコンと比べて大きい。このことから酸化物半導体は、熱励起によるキャリアの生成を極めて少なくすることができる。そのため、酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタは、高温環境下でも特性の劣化を起こさず、電気特性の変動を小さく保つことが可能である。 An oxide semiconductor has an energy gap of 3.0 eV to 3.5 eV. This energy gap is larger than silicon. Thus, in an oxide semiconductor, generation of carriers due to thermal excitation can be extremely reduced. Therefore, a transistor in which an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer does not cause deterioration in characteristics even in a high-temperature environment and can keep electric characteristics from changing to a low level.
また酸化物半導体は、特に、電子供与体(ドナー)となる水分または水素等の不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体(purified OS)とすることが好ましい。高純度化された酸化物半導体は、i型(真性半導体)またはi型に限りなく近い。そのため、高純度化された酸化物半導体層にチャネル形成領域を有するトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、高温環境下での信頼性が高い。このような特性を有する酸化物半導体を用いたトランジスタは、本実施の形態の半導体装置に用いるトランジスタとして好適である。 In addition, an oxide semiconductor is a highly purified oxide semiconductor (purified OS) in which impurities such as moisture or hydrogen which are electron donors (donors) are reduced and oxygen vacancies are reduced. Is preferred. A highly purified oxide semiconductor is almost i-type (intrinsic semiconductor) or i-type. Therefore, a transistor including a channel formation region in a highly purified oxide semiconductor layer has extremely low off-state current and high reliability in a high-temperature environment. A transistor including an oxide semiconductor having such characteristics is preferable as a transistor used in the semiconductor device of this embodiment.
以上説明した半導体装置100は、単極性のトランジスタで回路を構成する。該構成により、半導体装置100を構成するトランジスタを、酸化物半導体を用いたトランジスタで構成することができる。該構成により、半導体装置100を構成するトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、高温環境下での信頼性が高められたトランジスタとすることができる。そのため、半導体装置100を構成するトランジスタが温度変化に伴う誤動作してしまうのを防ぐことができる。更に、半導体装置100は、高温状態とならないように、予めパワートランジスタと半導体装置とを離間して設ける、冷却手段を設ける等の配置上の制約がなくすことができる。
The
なお図2に示す半導体装置100の構成では、図5(A)に示すように出力端子OUTを、出力端子OUT_H及び出力端子OUT_Lの2つに分離することができる。図5(A)に示すように出力端子を出力端子OUT_H及び出力端子OUT_Lの2つに分離することで、電源線間に流れる貫通電流を低減することができる。
Note that in the structure of the
また、図5(A)に示す半導体装置100をブロック図で簡略化して示すと、図5(B)のように表すことができる。なお図5(B)に示す端子は、図5(A)で示す回路の端子であり、端子VH及び端子VLは、電圧V3および接地電位GNDが与えられる端子である。
Further, when the
また、図5(B)に示す端子VpH及び端子VpLは、電圧V1および電圧V2を与えるための端子である。なお電圧V4は、電圧V1をもとに、ブートストラップ回路を用いて昇圧すればよい。 A terminal VpH and a terminal VpL illustrated in FIG. 5B are terminals for applying the voltage V1 and the voltage V2. The voltage V4 may be boosted using a bootstrap circuit based on the voltage V1.
次いで、図5(B)のブロック図を用いて、パワートランジスタを駆動するための半導体装置の応用例について図6に示す。 Next, an application example of a semiconductor device for driving a power transistor is illustrated in FIG. 6 with reference to the block diagram of FIG.
図6に示す図5(A)の半導体装置100を用いたローサイドドライバの構成では、半導体装置201A及び半導体装置201Bを有する。また図6では、その他の構成として、制御回路211(図中、Controllerと表記)、フォトカプラ212およびフォトカプラ213、基準電圧生成回路214乃至216、ダイオードDi1乃至Di3、容量素子Cap1乃至Cap4、パワートランジスタ221及びパワートランジスタ222を示している。なお図6に示す回路図において、配線上に設けられる抵抗素子は、流れる電流を電圧に変換するために設けられる素子である。なお図6に示す回路図において、電圧PHVおよび電圧PGNDは、パワートランジスタ221及びパワートランジスタ222に接続される負荷(図示せず)に加えるための電圧である。
In the structure of the low-side driver using the
半導体装置201A及び半導体装置201Bには、制御回路211から出力されるPWM信号が、フォトカプラ212およびフォトカプラ213、もしくは配線を介して与えられる。また、半導体装置201A及び半導体装置201Bには、電圧V1乃至電圧V3として、基準電圧生成回路214乃至216から基準電圧VDD1乃至VDD3が与えられる。なお、基準電圧VDD1乃至VDD3は、半導体装置201A及び半導体装置201Bには、基準電圧生成回路214乃至216から出力される基準電圧VDD1乃至VDD3を、ダイオードDi1およびDi2、並びに容量素子Cap1およびCap2を用いて昇圧した電圧が与えられる。
The PWM signal output from the
なお、図6に示すローサイドドライバの構成では、半導体装置201Aの端子VLと端子VpLの間に、電流の向きが双方向となるよう、ダイオードDi3を設けている。このダイオードDi3は、端子VLと端子VpLに与えられる電圧の差が大きく変化した場合に誤動作が生じないよう、該端子間に大きな電位差が生じないよう短絡させるために設ける素子であり、必要に応じて設ければよい。
In the configuration of the low-side driver shown in FIG. 6, the diode Di3 is provided between the terminal VL and the terminal VpL of the
以上の本実施の形態で示した半導体装置は、バッファ回路及びレベルシフト回路を同じ極性のトランジスタで構成する。そのため半導体装置内に設けるトランジスタを、単極性のトランジスタで構成することができる。 In the semiconductor device described in this embodiment, the buffer circuit and the level shift circuit are formed using transistors having the same polarity. Therefore, a transistor provided in the semiconductor device can be a unipolar transistor.
更に半導体装置では、レベルシフト回路内に容量素子を設け、昇圧するための信号を該容量素子に与え、該容量素子における容量結合を用いた信号の昇圧を行う構成とする。該構成では、レベルシフト回路内のトランジスタのソース、ドレイン間に印加される電圧を、レベルシフト回路内の容量素子に印加される電圧よりも小さくでき、トランジスタの絶縁破壊を抑制できる。 Further, in the semiconductor device, a capacitor is provided in the level shift circuit, and a signal for boosting is supplied to the capacitor, and the signal is boosted using capacitive coupling in the capacitor. In this configuration, the voltage applied between the source and drain of the transistor in the level shift circuit can be made smaller than the voltage applied to the capacitive element in the level shift circuit, and the dielectric breakdown of the transistor can be suppressed.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した単極性のトランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体層について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an oxide semiconductor layer used for the semiconductor layer of the unipolar transistor described in the above embodiment will be described.
トランジスタの半導体層中のチャネル形成領域に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)または亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にIn及びZnを含むことが好ましい。また、それらに加えて、酸素を強く結びつけるスタビライザーを有することが好ましい。スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)及びアルミニウム(Al)の少なくともいずれかを有すればよい。 An oxide semiconductor used for a channel formation region in the semiconductor layer of the transistor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, it is preferable to contain In and Zn. In addition to these, it is preferable to have a stabilizer that strongly binds oxygen. The stabilizer may include at least one of gallium (Ga), tin (Sn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), and aluminum (Al).
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種または複数種を有してもよい。 As other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).
トランジスタの半導体層として用いられる酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、In−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、In−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物等がある。 Examples of the oxide semiconductor used as the semiconductor layer of the transistor include indium oxide, tin oxide, zinc oxide, In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, and Zn—Mg oxide. Sn-Mg oxide, In-Mg oxide, In-Ga oxide, In-Ga-Zn oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn oxide, In-Sn -Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide, In-Zr-Zn oxide In-Ti-Zn-based oxide, In-Sc-Zn-based oxide, In-Y-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr- Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm Zn-based oxide, In-Eu-Zn-based oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, In-Sn-Ga-Zn-based oxide, In-Hf -Ga-Zn oxide, In-Al-Ga-Zn oxide, In-Sn-Al-Zn oxide, In-Sn-Hf-Zn oxide, In-Hf-Al-Zn oxide There are things.
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=3:1:2、あるいはIn:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 3: 1: 2, or In: Ga: Zn = 2: 1: 3 atomic ratio In—Ga—Zn-based oxidation An oxide in the vicinity of the product or its composition may be used.
半導体層を構成する酸化物半導体膜に水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トランジスタの閾値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化のための熱処理を行い酸化物半導体膜から、水素、または水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。 When a large amount of hydrogen is contained in the oxide semiconductor film included in the semiconductor layer, a part of the hydrogen serves as a donor and an electron serving as a carrier is generated by bonding with the oxide semiconductor. As a result, the threshold voltage of the transistor shifts in the negative direction. Therefore, after the oxide semiconductor film is formed, it is preferable that heat treatment for dehydration be performed to remove hydrogen or moisture from the oxide semiconductor film so that impurities are not included as much as possible.
なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、酸化物半導体膜から酸素が減少してしまうことがある。よって、脱水化処理(脱水素化処理)によって増加した酸素欠損を補填するため酸素を酸化物半導体膜に加える処理を行うことが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理と記す場合がある、または酸化物半導体膜に含まれる酸素を化学量論的組成よりも多くする場合を過酸素化処理と記す場合がある。 Note that oxygen may be reduced from the oxide semiconductor film due to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film. Therefore, it is preferable to perform treatment in which oxygen is added to the oxide semiconductor film in order to fill oxygen vacancies increased by dehydration treatment (dehydrogenation treatment). In this specification and the like, the case where oxygen is supplied to the oxide semiconductor film may be referred to as oxygenation treatment, or the case where oxygen contained in the oxide semiconductor film is larger than the stoichiometric composition is excessive. Sometimes referred to as oxygenation treatment.
このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理(脱水素化処理)により、水素または水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、i型(真性)化またはi型に限りなく近く実質的にi型(真性)である酸化物半導体膜とすることができる。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密度が1×1017/cm3以下、1×1016/cm3以下、1×1015/cm3以下、1×1014/cm3以下、1×1013/cm3以下であることをいう。 As described above, the oxide semiconductor film is made i-type (intrinsic) or i-type by removing hydrogen or moisture by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) and filling oxygen vacancies by oxygenation treatment. An oxide semiconductor film that is substantially i-type (intrinsic) can be obtained. Note that substantially intrinsic means that the number of carriers derived from a donor in the oxide semiconductor film is extremely small (near zero), and the carrier density is 1 × 10 17 / cm 3 or less, 1 × 10 16 / cm 3 or less, It means 1 × 10 15 / cm 3 or less, 1 × 10 14 / cm 3 or less, and 1 × 10 13 / cm 3 or less.
また、このように、i型または実質的にi型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、更に好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、更に好ましくは1×10−21A以下とすることができる。なお、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧が閾値電圧よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧が閾値電圧よりも1V以上、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。 In this manner, a transistor including an i-type or substantially i-type oxide semiconductor film can achieve extremely excellent off-state current characteristics. For example, the drain current when the transistor including an oxide semiconductor film is off is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 at room temperature (about 25 ° C.). × 10 −24 A or less, or 1 × 10 −15 A or less, preferably 1 × 10 −18 A or less, more preferably 1 × 10 −21 A or less at 85 ° C. Note that an off state of a transistor means a state where a gate voltage is sufficiently lower than a threshold voltage in the case of an n-channel transistor. Specifically, when the gate voltage is 1 V or higher, 2 V or higher, or 3 V or lower than the threshold voltage, the transistor is turned off.
次いで酸化物半導体の構造について説明する。 Next, the structure of the oxide semiconductor is described.
酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜などをいう。 An oxide semiconductor film is classified roughly into a single crystal oxide semiconductor film and a non-single crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, or the like.
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体膜が典型である。 An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film having an irregular atomic arrangement in the film and having no crystal component. An oxide semiconductor film which has no crystal part even in a minute region and has a completely amorphous structure as a whole is typical.
微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満の大きさの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。 The microcrystalline oxide semiconductor film includes a microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Therefore, the microcrystalline oxide semiconductor film has higher regularity of atomic arrangement than the amorphous oxide semiconductor film. Therefore, a microcrystalline oxide semiconductor film has a feature that the density of defect states is lower than that of an amorphous oxide semiconductor film.
CAAC−OS膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC−OS膜について詳細な説明を行う。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of crystal parts, and most of the crystal parts are large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. The CAAC-OS film is characterized by having a lower density of defect states than a microcrystalline oxide semiconductor film. Hereinafter, the CAAC-OS film is described in detail.
CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 When the CAAC-OS film is observed with a transmission electron microscope (TEM), a clear boundary between crystal parts, that is, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.
CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When the CAAC-OS film is observed by TEM (cross-sectional TEM observation) from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .
一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is observed by TEM (planar TEM observation) from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS film crystal has c-axis orientation, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.
一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.
以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation is a plane parallel to the ab plane of the crystal.
なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.
また、CAAC−OS膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。 Further, the crystallinity in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the top surface of the CAAC-OS film, the region near the top surface can have a higher degree of crystallinity than the region near the formation surface. is there. In addition, in the case where an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystallinity of a region to which the impurity is added changes, and a region having a different degree of crystallinity may be formed.
なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置が有するトランジスタの断面の構造について、図面を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a cross-sectional structure of a transistor included in a semiconductor device according to one embodiment of the disclosed invention will be described with reference to drawings.
図7乃至図9に、発明の一態様に係る半導体装置が有するトランジスタの断面構造の一部を、一例として示す。なお本実施の形態では、トランジスタとして、酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタを基板上に形成する場合を例示している。 7 to 9 illustrate part of a cross-sectional structure of a transistor included in a semiconductor device according to one embodiment of the present invention as an example. Note that this embodiment exemplifies the case where a transistor including an oxide semiconductor as a semiconductor layer is formed over a substrate as a transistor.
なお、酸化物半導体を用いるトランジスタの場合、シリコンを用いるトランジスタと比べて、温度による電気特性の変化を小さくすることができる。そのため半導体装置を、スイッチング動作によって高温となるIGBTに近接して設けても、電気特性の変化が抑えられるため、半導体装置の誤動作を低減することができる。 Note that in the case of a transistor using an oxide semiconductor, change in electrical characteristics due to temperature can be reduced as compared to a transistor using silicon. Therefore, even if the semiconductor device is provided in the vicinity of the IGBT that becomes high temperature by the switching operation, a change in electrical characteristics can be suppressed, so that malfunction of the semiconductor device can be reduced.
図7(A)では、基板820にnチャネル型のトランジスタ800が形成されている。図7(A)では、一例として、コプレナー(coplanar)型のトランジスタ構造について示している。
In FIG. 7A, an n-
トランジスタ800は、基板820上に、酸化物半導体を含む半導体膜830と、半導体膜830上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜832及び導電膜833と、半導体膜830、導電膜832及び導電膜833上のゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上に位置し、導電膜832と導電膜833の間において半導体膜830と重なっているゲート電極として機能する導電膜834と、を有する。
The
基板820は、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを用いることができる。
As the
導電膜832及び導電膜833、並びに導電膜834は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。導電膜832及び導電膜833、並びに導電膜834は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
The
ゲート絶縁膜831には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム及び酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁膜831は上記材料の積層であってもよい。
The
なお図7(A)では、コプレナー型のトランジスタ構造について示したが、図7(B)に示すトランジスタ801のように、スタガ(staggered)型のトランジスタ構造とすることもできる。
Note that although a coplanar transistor structure is illustrated in FIG. 7A, a staggered transistor structure such as a
トランジスタ801は、基板820上に、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜832及び導電膜833と、導電膜832及び導電膜833上の、酸化物半導体を含む半導体膜830と、半導体膜830、導電膜832及び導電膜833上のゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上に位置し、導電膜832と導電膜833の間において半導体膜830と重なっているゲート電極として機能する導電膜834と、を有する。
The
また、半導体膜830は、単膜の酸化物半導体で構成されているとは限らず、積層された複数の酸化物半導体で構成されていても良い。例えば半導体膜830が、3層に積層されて構成されている場合のトランジスタ800の構成例を、図8(A)、(B)に示す。
Further, the
図8(A)に示すトランジスタ802は、基板820などの上に設けられた半導体膜830と、半導体膜830と電気的に接続されている導電膜832、及び導電膜833と、ゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上に半導体膜830と重畳するように設けられたゲート電極として機能する導電膜834と、を有する。
A
そして、トランジスタ802では、半導体膜830として、酸化物半導体層830a乃至酸化物半導体層830cが、基板820側から順に積層されている。
In the
そして、酸化物半導体層830a及び酸化物半導体層830cは、酸化物半導体層830bを構成する金属元素の少なくとも1つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層830bよりも0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上または0.15eV以上、かつ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下または0.4eV以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体層830bは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
The
なお酸化物半導体層830cは、図8(B)に示すトランジスタ803のように、導電膜832及び導電膜833の上層でゲート絶縁膜831と重畳させて設ける構成としてもよい。
Note that as in the
また、基板820上に設けるトランジスタの構造としては、図7(A)、(B)に示すトップゲート構造に限らず、ボトムゲート構造のトランジスタとすることもできる。図9(A)では、一例として、逆コプレナー(inverted coplanar)型のトランジスタ構造について示している。
Further, the structure of the transistor provided over the
トランジスタ804は、基板820上に、ゲート電極として機能する導電膜834と、導電膜834上のゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜832及び導電膜833と、導電膜832及び導電膜833上の半導体膜830と、を有する。
The
なお図9(A)では、逆コプレナー型のトランジスタ構造について示したが、図9(B)に示すトランジスタ805のように、逆スタガ(inverted staggered)型のトランジスタ構造とすることもできる。
Note that although an inverse coplanar transistor structure is shown in FIG. 9A, an inverted staggered transistor structure such as a
トランジスタ805は、基板820上に、ゲート電極として機能する導電膜834と、導電膜834上のゲート絶縁膜831と、ゲート絶縁膜831上の、半導体膜830と、半導体膜830上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜832及び導電膜833と、を有する。
The
なお、図7乃至図9において、トランジスタ800乃至805は、ゲート電極として機能する導電膜834を半導体膜830の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜830を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。
7 to 9, the
トランジスタ800乃至805が、半導体膜830を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはオンまたはオフを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電位が他から与えられている状態であればよい。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ800乃至805の閾値電圧を制御することができる。
In the case where the
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例、及び該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図10、図11を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to an electronic component and an example in which the semiconductor device is applied to an electronic device including the electronic component will be described with reference to FIGS.
図10(A)では上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。 FIG. 10A illustrates an example in which the semiconductor device described in the above embodiment is applied to an electronic component. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the terminal take-out direction and the shape of the terminal. Therefore, in this embodiment, an example will be described.
上記実施の形態3の図7乃至図9に示すようなトランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。 A semiconductor device including a transistor as shown in FIGS. 7 to 9 in the third embodiment is completed by assembling a plurality of detachable components on a printed circuit board through an assembly process (post-process).
後工程については、図10(A)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップS1)した後、基板の裏面を研削する(ステップS2)。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。 The post-process can be completed through each process shown in FIG. Specifically, after the element substrate obtained in the previous process is completed (step S1), the back surface of the substrate is ground (step S2). This is because by reducing the thickness of the substrate at this stage, it is possible to reduce the warpage of the substrate in the previous process and to reduce the size of the component.
基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップS3)。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。 A dicing process is performed in which the back surface of the substrate is ground to separate the substrate into a plurality of chips. Then, a die bonding process is performed in which the separated chips are individually picked up and mounted on the lead frame and bonded (step S3). For the bonding between the chip and the lead frame in this die bonding process, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. The die bonding step may be mounted on the interposer and bonded.
次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う(ステップS4)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。 Next, wire bonding is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected by a thin metal wire (wire) (step S4). A silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire. For wire bonding, ball bonding or wedge bonding can be used.
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップS5)。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力により、内蔵される回路部やワイヤーを保護することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。 The wire-bonded chip is subjected to a molding process that is sealed with an epoxy resin or the like (step S5). By performing the molding process, the inside of the electronic component is filled with resin, the built-in circuit part and wire can be protected by mechanical external force, and the deterioration of characteristics due to moisture and dust can be reduced. .
次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップS6)。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。 Next, the lead of the lead frame is plated. Then, the lead is cut and molded (step S6). By this plating treatment, rusting of the lead can be prevented, and soldering when mounting on a printed circuit board can be performed more reliably.
次いでパッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップS7)。そして最終的な検査工程(ステップS8)を経て電子部品が完成する(ステップS9)。 Next, a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S7). An electronic component is completed through a final inspection process (step S8) (step S9).
以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、高温環境下における誤動作が低減され、且つ製造コストの抑制が図られた半導体装置を有する電子部品を実現することができる。該電子部品は、高温環境下における誤動作が低減され、且つ製造コストの抑制が図られた半導体装置を含むため、使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品である。 The electronic component described above can include the semiconductor device described in the above embodiment. Therefore, it is possible to realize an electronic component having a semiconductor device in which malfunctions in a high temperature environment are reduced and manufacturing costs are reduced. Since the electronic component includes a semiconductor device in which malfunction under a high temperature environment is reduced and manufacturing cost is reduced, the restriction on the use environment is relaxed and the electronic component is reduced in size.
また、完成した電子部品の斜視模式図を図10(B)に示す。図10(B)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図10(B)に示す電子部品700は、リード701及び半導体装置703を示している。図10(B)に示す電子部品700は、例えばプリント基板702に実装される。このような電子部品700が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板702上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板704)が完成する。完成した実装基板704は、電子機器等の内部に設けられる。
A perspective schematic view of the completed electronic component is shown in FIG. FIG. 10B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An
次いで図11を参照して、固定電源の電力で駆動する乗物類(自転車等)等に設けられる、インバータやモーター等を駆動する駆動回路に、上述の電子部品を適用する応用例について説明する。 Next, an application example in which the above-described electronic component is applied to a drive circuit that drives an inverter, a motor, or the like provided in a vehicle (such as a bicycle) that is driven by electric power of a fixed power source will be described with reference to FIG.
図11(A)は、応用例として、電動自転車1010を示している。電動自転車1010は、モーター部1011に電流を流すことによって動力を得るものである。また電動自転車1010は、モーター部1011に流す電流を供給するためのバッテリー1012、及びモーター部1011を駆動するための駆動回路1013、を有する。なお、図11(A)ではペダルを図示したが、なくてもよい。
FIG. 11A illustrates an
駆動回路1013には、先の実施の形態に示す半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。そのため使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電動自転車が実現される。
A mounting substrate provided with an electronic component including the semiconductor device described in any of the above embodiments is mounted on the
図11(B)は、別の応用例として、電気自動車1020を示している。電気自動車1020は、モーター部1021に電流を流すことによって動力を得るものである。また電気自動車1020は、モーター部1021に流す電流を供給するためのバッテリー1022、及びモーター部1021を駆動するための駆動回路1023、を有する。
FIG. 11B illustrates an
駆動回路1023には、先の実施の形態に示す半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。そのため使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電気自動車が実現される。
A mounting substrate provided with an electronic component including the semiconductor device described in any of the above embodiments is mounted on the
以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。このため、使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電子機器が実現される。 As described above, the electronic device described in this embodiment includes a mounting board provided with an electronic component including the semiconductor device according to any of the above embodiments. For this reason, the restriction of the use environment is relaxed, and an electronic device including an electronic component that is reduced in size is realized.
100 半導体装置
101 バッファ回路
102 レベルシフト回路
103 バッファ回路
104 バッファ回路
111 トランジスタ
112 トランジスタ
113 容量素子
114 容量素子
121 トランジスタ
122 トランジスタ
131 インバータ回路
132 インバータ回路
141 トランジスタ
142 トランジスタ
143 トランジスタ
144 トランジスタ
151 トランジスタ
152 トランジスタ
153 トランジスタ
154 トランジスタ
155 容量素子
201A 半導体装置
201B 半導体装置
211 制御回路
212 フォトカプラ
213 フォトカプラ
214 基準電圧生成回路
215 基準電圧生成回路
216 基準電圧生成回路
Cap1 容量素子
Cap2 容量素子
Cap3 容量素子
Cap4 容量素子
Di1 ダイオード
Di2 ダイオード
Di3 ダイオード
221 パワートランジスタ
222 パワートランジスタ
700 電子部品
701 リード
702 プリント基板
703 半導体装置
704 実装基板
800 トランジスタ
801 トランジスタ
802 トランジスタ
803 トランジスタ
804 トランジスタ
805 トランジスタ
820 基板
830 半導体膜
830a 酸化物半導体層
830b 酸化物半導体層
830c 酸化物半導体層
831 ゲート絶縁膜
832 導電膜
833 導電膜
834 導電膜
1010 電動自転車
1011 モーター部
1012 バッテリー
1013 駆動回路
1020 電気自動車
1021 モーター部
1022 バッテリー
1023 駆動回路
1311 インバータ回路
100
Claims (6)
前記第2の信号を第3の信号に変換するレベルシフト回路と、
前記第3の信号を第4の信号に変換する第2のバッファ回路と、
前記第4の信号に従って、第1の電位又は第2の電位を出力する第3のバッファ回路と、
を有し、
前記レベルシフト回路、及び前記第1のバッファ回路乃至第3のバッファ回路が有するトランジスタは、同じ極性のトランジスタであり、
前記第2の信号は、前記レベルシフト回路が有する容量素子に与えられ、容量結合を用いて前記第3の信号に変換される、ことを特徴とする半導体装置。 A first buffer circuit for converting a first signal into a second signal;
A level shift circuit for converting the second signal into a third signal;
A second buffer circuit for converting the third signal into a fourth signal;
A third buffer circuit for outputting a first potential or a second potential in accordance with the fourth signal;
Have
The transistors included in the level shift circuit and the first to third buffer circuits are transistors having the same polarity.
The semiconductor device, wherein the second signal is supplied to a capacitive element included in the level shift circuit and converted into the third signal using capacitive coupling.
前記第1のバッファ回路は、前記第1の信号を、前記第1の信号が有する電位よりも高い電位を有する前記第2の信号に変換し、
前記第2のバッファ回路は、前記第3の信号を、前記第3の信号が有する電位よりも高い電位を有する前記第4の信号に変換することを特徴とする半導体装置。 In claim 1,
The first buffer circuit converts the first signal into the second signal having a higher potential than the potential of the first signal;
The semiconductor device, wherein the second buffer circuit converts the third signal into the fourth signal having a higher potential than the potential of the third signal.
前記レベルシフト回路は、前記第2の信号を、前記第2の信号が有する電位よりも高い電位を有する前記第3の信号に変換することを特徴とする半導体装置。 In claim 1 or 2,
The level shift circuit converts the second signal into the third signal having a higher potential than the potential of the second signal.
前記トランジスタが有する半導体層は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The semiconductor device of the transistor includes an oxide semiconductor.
前記第1のバッファ回路に低電源電位を与える配線は、前記第2のバッファ回路及び前記第3のバッファ回路に低電源電位を与える配線とは、異なる配線であることを特徴とする半導体装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The semiconductor device is characterized in that the wiring that applies a low power supply potential to the first buffer circuit is different from the wiring that applies the low power supply potential to the second buffer circuit and the third buffer circuit.
前記レベルシフト回路は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子を有し、
前記第1のトランジスタの第1端子及び前記第2のトランジスタの第1端子が、前記第2の電位を与える配線に電気的に接続され、
前記第1の容量素子の一方の電極が、前記第1のトランジスタの第2端子、前記第2のトランジスタのゲート及び前記第2のバッファ回路に電気的に接続され、
前記第2の容量素子の一方の電極が、前記第2のトランジスタの第2端子、前記第1のトランジスタのゲート及び前記第2のバッファ回路に電気的に接続され、
前記第1の容量素子の他方の電極に前記第2の信号が与えられ、前記第2の容量素子の他方の電極に前記第2の信号を反転した信号が与えられることを特徴とする半導体装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The level shift circuit includes a first transistor, a second transistor, a first capacitor, and a second capacitor,
A first terminal of the first transistor and a first terminal of the second transistor are electrically connected to a wiring for applying the second potential;
One electrode of the first capacitor is electrically connected to a second terminal of the first transistor, a gate of the second transistor, and the second buffer circuit;
One electrode of the second capacitor is electrically connected to a second terminal of the second transistor, a gate of the first transistor, and the second buffer circuit;
The semiconductor device, wherein the second signal is applied to the other electrode of the first capacitor, and a signal obtained by inverting the second signal is applied to the other electrode of the second capacitor. .
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